Загальна і корисна різниця температур

Різниця між температурами гріючої пари першого корпуса установки й водяної пари в барометричному конденсаторі t_вт.б , називається загальною різницею температур t_о :

t_о = t_г.п. – t_вт.б.

Різниця між температурою гріючої пари і температурою кипіння розчину в одному апараті називається корисною різницею температур, ⁰С або К:

t_кор = t_г.п. – t_к = t_о + _піт .

Для визначення площі поверхні нагрівання випарного апарата корисну різницю температур t_кор виражають через середню рушійну силу. Тоді площа поверхні нагрівання апарата, м:

F = Q / (K t_кор) _,

де K – коефіцієнт теплопередачі.

Розподіл корисної різниці температур між окремими корпусами визначають при розрахунку:

• на мінімальну загальну площу поверхні всіх корпусів – пропорційно відношенню :

де t_i – корисна різниця температур i-ого корпуса, °С;

• на рівну площу поверхні корпусів – пропорційно відношенню Q/K:

Розрахунок барометричного конденсатора

Для створення вакууму у випарних установках зазвичай застосовуються конденсатори змішання з барометричною трубою.

Витрата води на конденсаторі визначається з рівняння теплового балансу конденсатора, кг/с:

G_в = _,

де W – витрата вторинної пари (випареної води) в останньому корпусі випарної установки, кг/c;

i_вт – питома ентальпія вторинної пари в барометричному конденсаторі, Дж/кг;

t_в.поч, t_в.кін – початкова і кінцева температура відповідно охолоджувальної води та суміші води і конденсату, °С.

Різниця температур між парою і рідиною на виході з конденсатора повинна бути 3...5°С. Тому кінцева температура води на виході з конденсатора приймається на 3...5°С нижче температури конденсації пари:

t_кін = t_б.к. – (3...5)_,

де t_б.к. – температура пари в барометричному конденсаторі, °С.

Діаметр труби барометричного конденсатора визначається з рівняння витрати, м:

d_б.к. = ,

де _п – щільність пари, кг/м³;

v –швидкість руху пари, м/с, при залишковому тиску в конденсаторі приблизно 10⁴ Па можна прийняти v = 15...25 м/с.

Швидкість води в барометричній трубі, м/с:

v_в. = ,

де _в – щільність води, кг/м³.

Висота барометричної труби, м:

Н_б.т. = + (1 +  + _тр ) + 0,5 ,

де В – вакуум у барометричному конденсаторі, Па;

В = Р_атм. – Р_б._к.= 9,8 10^-4 – Р_б.к. ,

Р_б._к. – тиск у барометричному конденсаторі, Па;

 – коефіцієнт місцевих опорів на вході і виході із труби, можна прийняти  = 1,5;

_тр – коефіцієнт тертя.

Коефіцієнт тертя залежить від режиму течії води в барометричній трубі, що характеризується числом Рейнольдса

Re = v_в d_б.т. _в / _в ,

де _в – динамічна в'язкість води, мПа·с.

Обчисливши число Рейнольдса, можна знайти коефіцієнт тертя по таблицях [3].

2. Приклад розрахунку однокорпусної випарної установки

Задача. Визначити витрату гріючої пари і площу поверхні нагрівання однокорпусної установки для концентрування розчину їдкого натру.

Вихідні дані для розрахунку

1. Витрата розчину G= 2500 кг/ч.

2. Початкова (вихідна) концентрація розчину X_поч= 5%.

3. Кінцева концентрація розчину X_кін = 40%.

4. Тиск гріючої пари Р_г.п = 0,6 МПа.

5. Тиск вторинної пари р_вт = 0,015 МПа.

6. Розчин надходить в установку підігрітим до температури 100 °С.

Подача установки по випарюваній воді

W = G (1 – (Х_поч / Х_кін)) = = 0,6 кг/с.

Перевіряємо кінцеву концентрацію випареного розчину:

Х_кон = G Х_поч / (G – W) = = 0,36 = 36%

Надалі розрахунок можна виконувати на I кг розчину, що надходить на випарювання:

w= W / C = = 0,86 кг.

Питома теплоємність розчину при початковій концентрації

С = (С_сух Х_поч + ( 100-х_поч)) / 100 = = 1,15 кДж/(кг·К),

де С_сух – питома теплоємність речовини в чистому виді, кДж/(кг·К),

С_сух = 4,13 кДж/(кг·K).

Температурну депресію знаходять по довідкових матеріалах [2], ∆₊=28°С.

Гідростатичну і гідравлічну депресію можна прийняти

∆r + ∆_гідр = 2°С .

Тоді сумарна депресія

∆ = ∆₊ + ∆r + ∆_гідр = 28,0 + 2,0 = 30°С.

Температура кипіння розчину

t_кр = 54 + 30 = 84°С.

По таблицях водяної пари необхідно знайти ентальпії гріючої і вторинної пари:

Р_г._п = 0,6 мПа; i_г.п = 2765 кДж/кг;

Р_в._т = 0,15 мПа; i_в.т = 2489 кДж/кг.

Коефіцієнти випару і самовипару:

_і = = 1,12 ;

 = = 0,034,

де t₀ – температура кипіння розчину на вході в апарат, °С.

Питома витрата гріючої пари

d_г.п = = 0,82 кг/кг.

Загальна витрата пари

D = d G_нач = 0,82 2500 = 2052 кг/г.

Теплова подача апарата

Q = D (i_г.п – t_п) = 2052 (2765 – 158) = 5349564 кДж/г.

Температурний напір

t = 158,0 – 80,0 = 78°С .

При розрахунку приймають коефіцієнт теплопередачі в I год К=1530 кДж/(м²·K).

Площа поверхні нагрівання установки

F= = 44,9 м².

За ГОСТ II 987-8I вибираємо випарний апарат з наступними характеристиками:

номінальна площа поверхні теплообміну, м² 63

діаметр труб, мм 38x2

висота труб, мм 4000

діаметр гріючої камери, мм 800

загальна висота апарата, мм 13000